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Lamb shift の測定

Lamb shift の測定. 改め 励起水素原子の作成. Lamb shift の説明. Lamb shift ( ラムシフト ) とは、 Dirac の 理論では縮退している電子のエネルギー準位が、量子電磁気的な高次の摂動による補正のために、ずれる現象。 我々が実験で目指すのは、 水素原子の 2s と 2p 軌道 の電子のエネルギー準位のずれの測定。. 実験方法. 実験方法は Lamb のオリジナルの方法に合わせ、修正した方がよいと思われる部分は修正してみる。. 実験の流れ 実験は１～１０ －１ Pa 程度で行う. ・水素分子から水素原子へ

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Presentation Transcript

  1. Lambshiftの測定 改め励起水素原子の作成

  2. Lambshift の説明

  3. Lamb shift(ラムシフト)とは、 Diracの理論では縮退している電子のエネルギー準位が、量子電磁気的な高次の摂動による補正のために、ずれる現象。 我々が実験で目指すのは、 水素原子の2sと2p軌道の電子のエネルギー準位のずれの測定。

  4. 実験方法

  5. 実験方法はLambのオリジナルの方法に合わせ、修正した方がよいと思われる部分は修正してみる。実験方法はLambのオリジナルの方法に合わせ、修正した方がよいと思われる部分は修正してみる。

  6. 実験の流れ実験は１～１０－１Pa程度で行う ・水素分子から水素原子へ ・水素原子を励起（主に２s、２p軌道の状態。ただし２pはすぐに１sになる） ・2sと2p(22S1/2と２2P1/2)のエネルギー差に相当する電磁波（RF）をかける ・磁場をかけて２s、２pのエネルギーを変える ・測定器で測定し、データを採取

  7. 水素分子から水素原子へ 水素分子を熱分離して、水素原子を作る。 Lambに従うと、約1800Kに加熱したチューブを通すと水素原子ができる 我々は、 チューブには融点の高いタングステン（W）を用い、 近くにセットしたフィラメントからでる電子を、Wチューブとフィラメントの間に電位差をかけることで加速してフィラメントにぶつけることで、加熱を行う

  8. 水素原子を励起 作成した水素原子に、先とは別のフィラメントから発生させる電子をぶつけることで励起させる 以上２つの部分については、装置の作成のところで多少詳しく説明する 我々が到達したのはこの辺りまで

  9. 2s水素原子→Lamb shiftの測定 2s (+1s) RF (周波数の 決まった 電磁場) 2s 2s 電子増倍管 2s 2p 2s 1s 2sが来たときだけ 信号を出す 2p RFが2s-2pの差に等しい時信号が小さくなる 2s 2pはすぐに1sに落ちる 1s

  10. 2sだけ信号にする原理 電子増倍管は 金属面とそこから出た電子を増倍する部分から成る Energy 0 W 2s electrons 2sの水素が金属面に当たると左の機構で電子を放出する 1s

  11. Zeeman効果でLamb shiftを見る 実線はDirac理論 破線はLamb shift込み 磁場の強さを変えていくと最も信号が弱くなる（最も2pに変化する）磁場がある 周波数 f 2S1/2－2P3/2 当てるRFに対応した磁場の強さが求まる 2S1/2－2P1/2 磁場　H

  12. 実験装置

  13. 装置の超略図 検出器 （第２段階） 水素原子 発生源 （第１段階） 電子銃 （第２段階） 磁場及びRFをかける所

  14. 第1段階 水素原子発生源の作成

  15. 水素原子発生源の断面略図（初期） 水素分子入口 Cuシールド Wチューブ フィラメント 電源へ View Port

  16. Wチューブ内を通る水素分子を水素原子にするために、Wチューブを加熱したい。Wチューブ内を通る水素分子を水素原子にするために、Wチューブを加熱したい。 やや現代風に、 フィラメントから熱電子を出し、Wチューブとフィラメントの間に電位差をかけて加速させ、Ｗチューブにぶつけて加熱する。 Wチューブは、高価なため、しばらくは同等の熱容量を持つシャーペンの芯を目標の温度（約１８００K）まで温める。 まずは、フィラメントに何を使うか

  17. 其の壱 市販の電球をかち割って、 中のフィラメントを使う。

  18. 電源１号（フィラメント用）

  19. 電源１号の都合上、 ３５V、数Aまでしかかけられなかったが、 うまく輝き、熱電子が出ていることも確認。 が、 パワーがまるで足らない。 （おまけに、フィラメントはもろく消耗品。）

  20. パワーを上げる策 ・市販フィラメントをたくさんつける ・もっとゴツいフィラメントをつかう 装置の大きさはきまっていて、つけられるフィラメントの数には限度があるため、 ゴツいフィラメントを使うことに

  21. 其の弐 ゴツいフィラメントを使い、大電流を流し、パワーをえる。 まずは、 先と同じ電源１号で実験

  22. ゴッツ1号 抵抗が小さすぎて、電流が流れすぎ、リミットを越えてしまいあたたまらず。

  23. ゴッツ２号 抵抗が小さすぎて、電流が流れすぎ、リミットを越えてしまいあたたまらず。 パワーの大きい電源を使うことに・・・

  24. 電源２号（フィラメント用） ８V　　２０A

  25. パワーは上がったものの、 ゴッツ１号、ゴッツ２号ともに輝かず。 やや行き詰まる もっとパワーの大きい電源を使うことに・・・

  26. 電源３号（フィラメント用） ０～１３０V　　２０００W

  27. パワーはかなり上がったが 溶けて中がむき出しに 大電流に耐えられず、ケーブルから白煙が・・・ ややゴツいケーブルを使うことに

  28. まずは、 通常の家電等につかうケーブルを使う あぶないにおいがしだしたので中断 ケーブルが熱くなっていた 可能な限りケーブルをゴツくすることに

  29. 極太２本重ね。これでどうよ

  30. うまく輝くことを確認 しかし、 すぐチェンバーが熱くなりすぎたために、一時中断。 もともとそのつもりだったが、流水で冷やすことに

  31. 汚い（？）流しから水を引く 帰り 行き

  32. うまく輝く が、緑の閃光とともに、突然消える。

  33. 中を開けると、あまりの熱さに、銅が溶けて、フィラメントと一体化していた。中を開けると、あまりの熱さに、銅が溶けて、フィラメントと一体化していた。 （緑の閃光は炎色反応？） 間にMoをはさんで銅に直接熱が伝わらないようにする

  34. 水素分子入口 Cuシールド Wチューブ フィラメント この銅が溶けた View Port

  35. さりげなくホースが黒こげに・・・ あまり気にせず実験

  36. Moチューブ

  37. 銅が溶けることはなく、長時間輝き続ける が、 どこからか香ばしい香りが・・・ 外部のセラミックが赤くなる （においとは別原因） ここ 熱すぎ

  38. フィラメントを使う加熱には無理が・・・ とにかく熱過ぎて、装置自体が溶けそう。 行き詰まる

  39. 其の参 Lamb方式に原点回帰？ 直接Wチューブのジュール熱で加熱

  40. 水素原子発生源其の参(Lamb方式)の断面略図 水素分子入口 Wチューブ Cuシールド Moリボン 電源へ ViewPort

  41. うまく発熱する 電源２号(8V,20A) 初めからこうしていれば……

  42. 黄 青 水素原子の検出 MoO３(黄) + 6H ⇒Mo(青) + 3H２O 容器内のMoO３粉末が青化すれば →水素原子の確認

  43. 前 後 Wチューブが変色（酸化？）、崩壊 Moチューブで代用 ･廉価 ･耐熱性 ･丈夫

  44. Moチューブで代用 ･チューブ自体の太さ ･熱抵抗率 Wより抵抗が小 電源２号→電流の上限 電源３号→白煙が…… 代用は無理

  45. 水素原子発生源の断面略図（現時点） 水素分子入口 Wチューブ Cuシールド Moリボン 電源へ View Port

  46. 第２段階 電子銃と測定器の作成

  47. 電子銃の作成 水素原子に電子をぶつけ、2sに励起させる フィラメントからの熱電子を 電位差で誘導し水素原子ビームに当てる フィラメント:市販の豆電球 ～低電圧で熱電子放出可能 →両端間の電位差:小 →放出した電子のエネルギー:一定

  48. 電子銃の部分の断面略図 Mo板 Wメッシュ 豆電球フィラメント×３

  49. 電子銃の回路図 水素原子ビーム 水素原子ビーム ～10V 1.7V

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